A Revised Approach to Ice Microphysical Process for the Bulk Parameterization of Cloud and Precipitation SONG-YOU HONG, JIMY DUDHIA, SHU-HUA CHEN January2004,

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1 A Revised Approach to Ice Microphysical Process for the Bulk Parameterization of Cloud and Precipitation SONG-YOU HONG, JIMY DUDHIA, SHU-HUA CHEN January2004, JOURNAL OF THE ATMOSPHERIC SCIENCES VOLUME 103~130

2 Introduction CRMs(cloud-resolving models)、CEMs(cumulus ensemble models)跟GCM的合併使用 LFO83(Lin et al.1983)、RH83(Rutledge and Hobbs) 忽略一些跟number concentration有關的物理條件(溫度、沉降率) 本篇文章即是介紹更正模式中的物理條件所產生的不同 CRMs是一種cloud-scale and circulation交互作用的方法….最近被使用

3 Modifications of microphysical process introduce to a commonly used bulk cloud scheme
作者選擇利用WRF Simple ice來修改 利用RH83和D98更正模組 主要是利用temperature-dependent intercept parameter for snow, cloud-ice-mass-dependent ice number concentration and related changes in ice process

4 a.Sedimentation of falling ice crystal
ρ空氣密度，qI雲冰混和比 D：冰粒子形狀不同中的方程 x,y,α,β都是跟ice crystal在不同形狀下的係數 New velocity-diameter formula HI200(Heymsfiled and Iaquinta)

5 b.Ice mass, diameter, and number concentration relationship
Fletcher1962 T 是溫度，T0是冰點 column bullet rosette c 3.02*107 5.38*107 2.76*108 d 0.72 0.75 0.8 利用冰晶的平均重量在用HI200帶入 可以得到在不同冰形狀下係數的不同

6 利用上頁公式畫出，三種粒子的粒子數目濃度 本篇文章取中位數(single column)來修正模式

7 利用single column的粒子數濃度求出來各項的數值

8 c.Intercept parameter for snow
Houze et al.1979 Note : 最大值為2*108(m-4)

9 d.Initiation of cloud ice crystal
q為水汽的混合比，qsi為冰的飽和混合比，qI0=NI0MI0/ρ，qI為冰混合比 條件\是在過飽和且還沒結成冰時

10 (a)Ice nuclei number concentration
(b)Initial ice crystal amount

11 e.Vapor deposition of a small ice crystal(PIsd)
SI=qSI/q，AI,BI熱力和動力方程

12 f.Accretion of cloud ice by snow (Pacr)
本篇文章修正了碰撞係數ESI，令它為一個溫度的函數

13 g.Conversion of ice crystals to snow(PautI)
qIcrit(MImaxNI/ρ)為autoconversion 的門檻值

14 h.Sublimation and deposition grower of snow/evaporation of rain(Pres)
當雨滴蒸發時，代表水汽未達到飽和，但是以冰相粒子而言，有可能已經達到冰的飽和，使得冰晶成長

15 i.Autoconversion of cloud water to rain (Pautc)
Kessler1969 qC0代表產生autoconversion的門檻值 在Tripoli and Cotton 1980(TC80)對參數qC0、α做了物理上的定義

16 3. Numerical experiments
Two sets of experiments are carried out : An idealized 2D thunderstorm case A 3D real-data simulation of a heavy rain event Note : using the simple ice scheme for grid-resolvable, and the KF cumulus parameterization for subgrid scale precipitation process

17 An idealized 2D thunderstorm case
2-D domain 在x方向有201點，間距為250m 垂直分有80層 積分一小時，time step=3s 初始值，在模式中心有一半徑4km的暖胞，最大溫度擾動為3˚K 地表風速12ms-1，遞減到2.5km時風速為零 為開放邊界，沒有科氏力和摩擦力

18 比較Exp4和PLS實 驗的凝結場

19 Note : 細實線(Exp1)點線(Exp2)虛線(Exp3)粗實線(Exp4)
比較在Exp1~Exp4中的average-domain condensate 和降水混合比 Note : 細實線(Exp1)點線(Exp2)虛線(Exp3)粗實線(Exp4)

20 A 3D real-data simulation of a heavy rain event
目的：利用新的參數模擬降水和上層大氣大尺度系統特徵 時間：25 July 1997(Korea) 降水特徵：在西部有一個降水最大值，在南端也有數個不連續的大降水 大尺度特色：在黃海有一個低壓系統(中緯度氣旋)

21 The simulation of the real case(setting)
初始和邊界條件來自NCEP 利用MM5來加強其高層的探空資料並使得WRF model 方便使用 48小時的模擬時間(1200 UTC 23 July 1997) 水平網格間距45km共80點，中心位於Korea peninsula 使用Lambert-conformal conic projection 垂直分23層

22 南方高麗半島統計降水，和在300hpa domain-average的溫度
溫度是利用NCEP資料，降水是利用測站降水內插到各網格點，括弧中代表利用cloud5 Bias score=the simulation/the observation

23 Domain-average垂直剖面

24 24小時累積降水，左圖為Exp1右圖為Exp2

25 平均1小時累積降水(domain-average)
南方局部降水，主要因素跟西方降水不同，因為太平洋 副熱帶高壓帶來暖濕空氣使得不穩定度提高，所以積雲 參數法在此區域重要

26 垂直積分ice cloud/water混合比(1200UTC 25 July 1997)
(a) is Exp1, (b) is Exp4

27 Exp1~Exp4間的cloud/ice water的濃度、300hpa平均溫度

28 Exp1(實線) NORA=no radiation(點線) NOSW=no short wave radiation(點虛線) NOLW=no long wave radiation(長虛線) 都是利用Exp1的條件並關掉各個參數

29 Concluding Ideal case 1) 降水和雲的模擬在雲微物理過程比冰晶沉降作用敏感
2) 冰晶沉降造成了anvil的減少，在暖區的雪增加 3) 可以產生類似有graupel的雲結構產生 In heavy rain fall 1) 雲微物理和沉降作用改善了雲和溫度的模擬(沉降作用重要) 2)模式可以在較冷的環境下產生較少的冰晶(接近觀測) 3)地表降水和300hpa平均溫度的改善影響了輻射的回饋作用